iommu-testdev：裸机测试用 IOMMU 设备

概述

iommu-testdev 是仅供测试的最小 PCI 设备， 用于在无需固件或客户机操作系统的情况下测试 ARM SMMUv3 等 IOMMU 地址转换。 测试可填入已知转换表并触发 DMA，使请求经过 IOMMU 转换路径。 它 不是 忠实的 PCIe 端点，应视为 QEMU 内部测试工具。

主要功能

  • 裸机 IOMMU 测试：无需客户机内核或固件。

  • 可配置 DMA 属性：通过 MMIO 配置地址空间。

  • 确定性验证：按已知模式先写后读，自动核对结果。

状态

  • 位置：hw/misc/iommu-testdev.c

  • 头文件：include/hw/misc/iommu-testdev.h

  • 构建开关：CONFIG_IOMMU_TESTDEV

设备接口

设备提供一个 PCI BAR0，含以下 32 位 MMIO 寄存器：

  • ITD_REG_DMA_TRIGGERING （0x00）：读取触发 DMA，并消费已准备请求。

  • ITD_REG_DMA_GVA_LO （0x04）：DMA IOVA 的 [31:0] 位。

  • ITD_REG_DMA_GVA_HI （0x08）：DMA IOVA 的 [63:32] 位。

  • ITD_REG_DMA_GPA_LO （0x1C）：回读验证所用 GPA 的 [31:0] 位。

  • ITD_REG_DMA_GPA_HI （0x20）：回读验证所用 GPA 的 [63:32] 位。

  • ITD_REG_DMA_LEN （0x0C）：DMA 传输长度。

  • ITD_REG_DMA_RESULT （0x10）：DMA 结果，0 成功，0xffffffff 空闲，0xfffffffe 已准备。

  • ITD_REG_DMA_DBELL （0x14）：写 1 准备 DMA，写 0 取消准备。 准备仅标记请求并设置 BUSY，不锁存或检查参数；为 qtest 提供显式控制点， 也为异步执行或锁存留出空间。

  • ITD_REG_DMA_ATTRS （0x18）：映射 MemTxAttrs 部分字段的 DMA 属性：

    • 位 0：secure，1 为 Secure，0 为 Non-Secure。

    • 位 [2:1]：ArmSecuritySpace，0 为 Secure，1 为 Non-Secure。

    • 位 3：space_valid，1 表示 space 有效，0 则忽略并默认 Non-Secure。 仅设置 space_valid 才使用 MemTxAttrs 的 space。 Secure/Non-Secure 情况下 secure 与 space 必须一致，否则返回 ITD_DMA_ERR_BAD_ATTRS。 其他位保留，未来测试需要额外属性时可接入。

转换设置流程

iommu-testdev 不自行构建 SMMU、AMD-Vi 或 RISC-V IOMMU 结构。 架构专用构造完全在 qtest/libqos 辅助函数中完成： 将页表及架构数据结构填入客户机内存，直接配置仿真 IOMMU 寄存器。 SMMUv3 示例见 tests/qtest/libqos/qos-smmuv3.c 的 qsmmu_setup_and_enable_translation()。

DMA 操作流程

准备语义：

  • 向 DMA_DBELL 写 bit0=1，将请求标记为已准备，并把 DMA_RESULT 设为 BUSY。 不锁存 GVA/LEN/ATTRS，读取 DMA_TRIGGERING 时才采样。

  • 写 bit0=0 取消准备，并将 DMA_RESULT 设为 IDLE。

  • 读取 DMA_TRIGGERING 消费请求并清除准备状态，即使发生错误也如此。

流程拆分为以下步骤，便于时序控制与调试。 qtest 可以分别测试并断言 NOT_ARMED、BAD_LEN、TX/RD 失败、数据不匹配等路径， 而非将所有副作用隐藏在单一步骤中：

  1. 测试配置 IOMMU 转换表。

  2. 配置 DMA IOVA（GVA_LO/HI）、回读 GPA、长度和属性。

  3. 向 DMA_DBELL 写 1 准备操作。

  4. 读取 DMA_TRIGGERING 执行 DMA。

  5. 轮询 DMA_RESULT：

    • 0x00000000：成功。

    • 0xFFFFFFFE：已准备，等待触发。DMA 同步运行，触发读取结束后看不到 BUSY。

    • 0xDEAD0006：属性错误，S/NS 的 secure 与 space 不一致。

    • 0xDEAD000X：其他错误码。

设备以已知模式 0x12345678 先写后读，自动验证数据完整性。

运行 qtest

SMMUv3 测试套件使用此设备，覆盖多种转换模式:

cd build
QTEST_QEMU_BINARY=./qemu-system-aarch64 \\
    ./tests/qtest/iommu-smmuv3-test --tap -k

覆盖以下场景：

  • 仅阶段 1 转换。

  • 仅阶段 2 转换。

  • 嵌套转换，即阶段 1 加阶段 2。

实例化

设备默认不接入任何开发板，测试通过命令行实例化:

-device iommu-testdev

使用 SMMUv3 的 ARM 平台:

-M virt,iommu=smmuv3 -device iommu-testdev

IOMMU 位于同一 PCI 根复合体 pci.0 时，设备自动置于其后。 其他 PCI 拓扑需显式指定总线。

限制

  • 不提供真实 PCIe 枚举、MSI/MSI-X 或中断处理。

  • 不支持 ATS/PRI。

  • 除 DMA 测试模式外没有实际设备功能。

  • 仅供测试，不适合生产或逼真机器仿真。

  • Secure/Root/Realm 地址空间支持取决于架构，并由 space_valid 控制。

  • 回读使用配置的 GPA，经系统内存访问，避免再次经过 IOMMU。

另见

  • tests/qtest/iommu-smmuv3-test.c：SMMUv3 测试套件。

  • tests/qtest/libqos/qos-smmuv3.{c,h}：SMMUv3 测试库。

  • SMMUv3 仿真：hw/arm/smmu*。